Görseldeki cihazı muhtemelen tanırsınız, ancak ismini bilmeyebilirsiniz: Crookes radyometresi. İsminin de işaret ettiği gibi, radyometreyi ışığa maruz bıraktığınızda ölçülebilir bir değişim meydana gelir: kanatları dönmeye başlar.
Ne yazık ki, çoğu insan çalışma prensibini yanlış anlamaktadır. Kanatların dönmesini sağlayan temel kuvvet olan fotopeorez, yeterince düşük yoğunluklu bir atmosferde çeşitli yapılara etki edebilir. Bir grup araştırmacı, fotopeoretik etkiyi kullanarak Dünya'nın ve diğer gezegenlerin üst atmosferine ince metal levhaları taşımanın mümkün olabileceğini keşfetti. Amaçları, balonlar için fazla yüksek, uydular için ise fazla alçak olan atmosfer tabakasına sondalar göndermek olsa da, daha Dünya yüzeyine yakın bölgelerde çalışan prototiplerini test ettiler.
Fotopeorez Nedir?
Crookes radyometresi'nin çalışma prensibini ışınım basıncıyla açıklayan pek çok yanlış anlatım görmek mümkündür. Bu anlatımlara göre, kanatların koyu renkli yüzeyleri daha fazla foton emer ve bu fotonların taşıdığı momentum, koyu yüzeye sürekli bir itme gücü uygular. Ancak bu açıklamadaki sorun şudur: Parlak yüzeylerden seken fotonlar daha fazla momentum aktarır. Eğer cihaz ışınım basıncıyla dönseydi, gerçekte döndüğünden ters yönde dönerdi.
Koyu renkli yüzeyde emilen foton fazlası, çalışmanın temelini anlamak için kritiktir. Fotopeorez, koyu renkli ve ışığı emen yüzey ile daha serin olan gümüş rengi yüzey arasındaki sıcaklık farkından yararlanarak çalışır.
Koyu yüzeye çarpan herhangi bir gaz molekülü, muhtemelen ondan fazla termal enerji kapar ve plakadan ayrılırken geldiğinden daha hızlı hareket eder. Normalde deneyimlediğimiz atmosfer basınçlarında, bu moleküller diğer gaz molekülleriyle çarpışmadan önce çok uzağa gidemezler. Bu da anlamlı sıcaklık farklılıklarının oluşmasını engeller.
Ancak Crookes radyometresi, çok daha düşük hava basıncına sahip kapalı bir cam kapta bulunur. Bu durum, gaz moleküllerinin plakaların koyu yüzeyinden çok daha uzağa hızla hareket etmesine olanak tanır ve bir gaz molekülüyle karşılaşmadan önce daha uzağa gidebilir. Bu da yüzeyde biraz daha düşük bir basınç alanı oluşturur. Bu durum, parlak yüzeydeki gazın bu düşük basınçlı alanı doldurmak için çevresinden akışını tetikler ve kanatların dönmesini sağlayan kuvveti oluşturur.
Bu konfigürasyonda oldukça verimsiz olmaktadır. Bu nedenle, biraz daha fazla kuvvet üretebilecek alternatif konfigürasyonlar tasarlamak için uzun zaman harcanmıştır. Yoğun araştırma ilgisi çeken bir fikir, biri açık renkli, diğeri koyu renkli iki ince metal levhanın birbirine paralel düzenlendiği bir sistemdir. Her iki levha da ağırlığı azaltmak için yoğun şekilde delinmiş olacaktır. Bu deliklerin bir kısmında ise üst ve alt levha arasındaki delikleri birbirine bağlayan kısa borular bulunacaktır. (Bu yapıya "nanokarton" lakabı verilmiştir.)
Bu borular birkaç amaca hizmet edecektir. Biri, iki levhayı tek bir birim olarak basitçe birbirine bağlamak. Diğeri ise bir yalıtkan görevi görerek, ısının koyu levhadan açık olana hareketini engellemek ve böylece sıcaklık gradyanını artırmak. Son olarak, havadan açık renkli levhanın üst kısmından koyu renkli levhanın altına doğru hareket etmesi için doğrudan bir yol sağlayarak, levhaların havada kalmasına yardımcı olacak yönlendirilmiş bir itme gücü sağlarlar.
Optimizasyon Süreci
Tahmin edebileceğiniz gibi, levhalar arasındaki boşluk boyutu, levhalardaki delik yoğunluğu, boruyla bağlanan delik sayısı gibi ayarlanabilecek birçok serbest parametre bulunmaktadır. Bu nedenle küçük bir araştırmacı ekibi, farklı konfigürasyonları modellemek ve kaldırma kuvvetini optimize etmeye çalışmak için bir sistem geliştirdi. (Bunu yapma motivasyonlarına birazdan değineceğiz.)
Bir nanokarton diskiyle başlayarak, araştırmacılar şu şekilde tarif ediyor: "Modelin girdileri, diskin geometrik, optik ve termal özellikleri, ortam gaz koşulları ve diske etki eden dışsal radyatif ısı akışlarıdır." "Çıktılar ise iki zarda iletken ısı akışları, zar sıcaklıkları ve yapıya etki eden net fotopeoretik kaldırma kuvvetidir." Genel olarak, kaldırma kuvveti üretmek için gereken ortam gaz koşulları, Crookes radyometresi içindeki koşullara benzer: deniz seviyesindeki hava basıncının oldukça altındadır.
Model, nihai tasarımları etkileyecek üç eğilim olduğunu öne sürdü. Birincisi, delik yoğunluğunun bir denge unsuru olmasıdır. Nispeten düşük irtifalarda (daha yoğun bir atmosfer anlamına gelir) çok sayıda delik büyük levhalarda gerilimi artırırken, yüksek irtifalarda küçük parçalar için gerilimi azaltır. Diğer bir husus ise, yüzey alanıyla artması yerine, levhaların mevcut sıcaklıklara daha kolay uyum sağlaması nedeniyle kaldırma kuvvetinin düşme eğiliminde olmasıdır. Bir milimetrekare nanokarton, aynı malzemeden yapılmış 10 santimetrekarelik bir parçaya göre yüzey alanı başına 10 kattan fazla kaldırma kuvveti üretir.
Son olarak, araştırmacılar kaldırma kuvvetinin mezosferde, yani stratosferin hemen üzerindeki bölgede (Dünya yüzeyinden 50-100 kilometre yukarıda) en üst düzeyde olduğunu hesaplıyorlar.
Işık ve Kaldırma
Araştırmacılar daha sonra modellerinin çıktısını test etmek için birkaç nanokarton levha ürettiler. Krom, alüminyum ve alüminyum oksitten oluşan bu ürünler, bir metrekare malzemesi sadece bir gram ağırlığında, inanılmaz derecede hafifti. Bir lazer veya beyaz LED ile aydınlatıldığında, atmosfer yeterince seyrek tutulduğu sürece test cihazında ölçülebilir bir kuvvet ürettiler. Güneş ışığına eşdeğer bir maruziyetle, cihaz kendi ağırlığından daha fazla kaldırma kuvveti üretti.
Nispeten az bilinen ve zayıf bir fiziksel etkiyi alıp, sadece güneş ışığıyla havada kalabilen cihazlar tasarlayabildiğimizin çok güzel bir gösterisi bu - ki bu oldukça etkileyici.
Ancak araştırmacıların daha ötesinde bir hedefleri var. Mezosfer, atmosferin incelenmesi gerçekten zorlu bir bölgesidir. Balonları veya uçakları destekleyecek kadar yoğun değildir, ancak uydular için hızlı bir şekilde sorun yaratan yeterli gaza sahiptir. Bu nedenle araştırmacılar bu cihazlardan birini enstrüman taşıyan bir hava aracına dönüştürmek istiyorlar. Ne yazık ki bu, enstrümanları tutmak için gereken yapısal bileşenlerin ve enstrümanların kendilerinin eklenmesi anlamına gelecektir. Ve kaldırmanın en uygun olduğu mezosferde bile, bu cihazlar pek de fazla kaldırma kuvveti üretmez.
Ayrıca, alt atmosferde yeterli kaldırma kuvveti üretmeyecekleri göz önüne alındığında, onları oraya ulaştırma sorunu da var. Bu nedenle üst stratosfere başka bir araçla taşınmaları ve ardından kırılgan yapılarına zarar vermeyecek kadar nazikçe serbest bırakılmaları gerekecektir. Ve sonra, kutup yazı boyunca onları kaldırmadığınız sürece, gece muhtemelen tekrar yere inerler.
Bunların hiçbiri bunun imkansız bir hayal olduğu anlamına gelmez. Ancak bu çalışma ile Dünya'daki pratik uygulamalar arasında, hatta yazarların sistemi Mars'ta da mezosferi keşfetmek için kullanılabileceğini öne sürdüğü Mars'ta bile aradaki çok büyük engeller kesinlikle mevcut. Ancak bu gerçekçi bir sonuç vermese bile, bu hala oldukça ilginç bir fizik çalışmasıdır.
